In der Extrusion ist die Schmelzetemperatur eine der kritischsten Prozessgrößen überhaupt. Zu hohe Temperaturen schädigen das Polymer thermisch, zu niedrige führen zu unvollständiger Plastifizierung, erhöhtem Druckbedarf und mangelhafter Homogenität. Dennoch wird die Temperaturführung in der Praxis häufig unterschätzt oder auf wenige Zylinderheizzonen reduziert betrachtet. Tatsächlich ist die Temperierung entlang der gesamten Extrusionslinie – vom Einzug über den Zylinder und die Schnecke bis hin zur Düse – ein komplexes Zusammenspiel aus Wärmeeintrag, Wärmeabfuhr und Materialverhalten.
Grundsätzlich unterscheidet man beim Einschneckenextruder zwei überlagerte Wärmequellen: die elektrische oder fluidische Beheizung von außen sowie die dissipative, also durch innere Reibung und Scherung erzeugte, Wärme im Polymer selbst. Bei manchen Materialien und Betriebspunkten kann der Dissipatonsanteil die externe Heizleistung deutlich übersteigen – mit der Konsequenz, dass Temperierzonen nicht heizen, sondern kühlen müssen, um die Solltemperatur zu halten.
Aufbau und Zoneneinteilung des Temperiersystems
Der Extruderzylinder wird in axialer Richtung in mehrere unabhängig regelbare Temperierzonen unterteilt. Typische Einschneckenextruder mit Schneckendurchmessern zwischen 30 und 150 mm besitzen vier bis acht Zylinderzonen. Dazu kommen separate Zonen für Einzugsgehäuse, Adapterbereich, Schmelzepumpe (falls vorhanden) sowie das Düsenwerkzeug. Jede Zone verfügt über eigene Heizelemente und – je nach Bauart – über eigene Kühlkanäle oder Kühlgebläse.
Im Einzugsbereich, also der Zone unterhalb des Feststofftrichters, gilt eine besondere Anforderung: Das Gehäuse soll dort möglichst kühl bleiben, damit das Granulat oder Pulver sicher eingezogen wird und keine Brückenbildung durch anschmelzendes Material entsteht. Gleichzeitig wird das Einzugsgehäuse in der Regel mit einem separaten Wasserkreislauf temperiert, um eine konstante Betriebstemperatur sicherzustellen, die unabhängig von der Zylindertemperatur geregelt werden kann.
Heizelemente: Bauformen und Eigenschaften
Die gebräuchlichste Bauform zur Beheizung des Extruderzylinders sind Bandheizungen aus Widerstandsdraht in einem Stahlgehäuse, die formschlüssig auf den Zylinderaußenmantel aufgeklemmt werden. Sie ermöglichen eine flächenhafte, gleichmäßige Wärmeübertragung und lassen sich einfach austauschen. Für höhere Leistungsdichten und schnellere Aufheizzeiten kommen Keramikheizungen oder Heizpatronen in Bohrungen des Zylinders zum Einsatz, die durch ihre direkte Lage im Metall eine bessere Wärmeankopplung erzielen.
Induktive Heizsysteme gewinnen in bestimmten Anwendungen an Bedeutung. Sie nutzen elektromagnetische Induktion, um Wirbelströme direkt im Zylindermaterial zu erzeugen und so Wärme ohne Kontaktwiderstand einzutragen. Vorteile sind eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung im Querschnitt und eine hohe Dynamik beim Aufheizen. Nachteilig sind die höheren Anschaffungskosten und der Aufwand bei der Nachrüstung bestehender Anlagen.
